第二章-光學(xué)系統(tǒng)像差

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1、光學(xué)系統(tǒng)像差黃小平物理電子學(xué)院空間光通信工程研究中心1.1引言如果成像系統(tǒng)是理想光學(xué)系統(tǒng),則同一物點發(fā)出的所有光線通過系統(tǒng)以后,應(yīng)該聚焦在理想像面上的同一點,且高度同理想像高一致。但實際光學(xué)系統(tǒng)成像不可能完全符合理想,物點光線通過光學(xué)系統(tǒng)后在像空間形成具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的像散光束,該像散光束的位置和結(jié)構(gòu)通常用幾何像差來描述。1.幾何像差1.2基本原理光學(xué)系統(tǒng)所成實際像與理想像的差異稱為像差，只有在近軸區(qū)且以單色光所成像之像才是完善的（此時視場趨近于0，孔徑趨近于0）。但實際的光學(xué)系統(tǒng)均需對有一定大小的物體以一定的寬光束

2、進(jìn)行成像，故此時的像已不具備理想成像的條件及特性，即像并不完善。可見，像象差是由球面本身的特性所決定的，即使透鏡的折射率非常均勻，球面加工的非常完美，像差仍會存在。幾何像差主要有七種：球差、彗差、像散、場曲、畸變、位置色差及倍率色差。前五種為單色像差，后二種為色差。（1）球差軸上點發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，不再是同心光束，不同入射高度的光線交光軸于不同位置，相對近軸像點（理想像點）有不同程度的偏離，這種偏離稱為軸向球差，簡稱球差。如右圖所示。軸上光線像差（球差）星點法觀測示意圖及球差效果圖球差校正球差與透鏡的折射率

3、和曲率半徑有關(guān)，選擇不同曲率比，可以使球差達(dá)到最小。（2）彗差彗差是軸外像差之一，它體現(xiàn)的是軸外物點發(fā)出的寬光束經(jīng)系統(tǒng)成像后的失對稱情況，彗差既與孔徑相關(guān)又與視場相關(guān)。若系統(tǒng)存在較大彗差，則將導(dǎo)致軸外像點成為彗星狀的彌散斑，影響軸外像點的清晰程度。如圖所示。彗差效果示意圖（3）像散像散用偏離光軸較大的物點發(fā)出的鄰近主光線的細(xì)光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，其子午焦線與弧矢焦線間的軸向距離表示：分別表示子午焦線至理想像面的距離及弧矢焦線會得到不同形狀的物至理想像面的距離，如圖所示。像散效果示意圖(4)像場彎曲使垂直光軸的物平面成曲面

4、像的象差稱為場曲。如圖4所示。子午細(xì)光束的交點沿光軸方向到高斯像面的距離稱為細(xì)光束的子午場曲；弧矢細(xì)光束的交點沿光軸方向到高斯像面的距離稱為細(xì)光束的弧矢場曲。場曲是視場的函數(shù)，隨著視場的變化而變化。當(dāng)系統(tǒng)存在較大場曲時，就不能使一個較大平面同時成清晰像，若對邊緣調(diào)焦清晰了，則中心就模糊，反之亦然。場曲效果示意圖(5)畸變畸變描述的是主光線像差，不同視場的主光線通過光學(xué)系統(tǒng)后與高斯像面的交點高度并不等于理想像高，其差別就是系統(tǒng)的畸變，如圖所示。由畸變的定義可知，畸變是垂軸像差，只改變軸外物點在理想像面的成像位置，使像的

5、形狀產(chǎn)生失真，但不影響像的清晰度?；儺a(chǎn)生及消除桶形畸變枕形畸變對稱鏡頭消畸變軸外光線像差（慧差，像散，場曲）的星點法測試實驗裝置2.色像差光學(xué)材料對不同波長的色光有不同的折射率，因此同一孔徑不同色光的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后與光軸有不同的交點。不同孔徑不同色光的光線與光軸的交點也不相同。在任何像面位置，物點的像是一個彩色的彌散斑，如圖所示。各種色光之間成像位置和成像大小的差異稱為色差。軸向（位置）色差軸上點兩種色光成像位置的差異稱為位置色差，也叫軸向色差。色差實驗效果圖橫向(倍率)色差膠合透鏡消色差